5G承载网络切片实现方法及应用

2021-09-09马亚燕

江苏通信 2021年4期

马亚燕

南京信息职业技术学院通信学院

0 引言

2019年11月1日，我国三大运营商移动、电信和联通正式启用5G商用套餐，工信部在2020年3月发布的《关于推动5G加快发展的通知》中明确指出各大运营商必须加快5G网络建设部署，极力丰富5G技术应用场景。截至2020年12月，我国5G基站已经超过71万。

5G网络不仅可以为各行各业服务，同时还推动了传统产业转型。新冠肺炎疫情发生期间，5G在远程医疗、在线教育和办公、交通等领域大显身手。这改变了用户习惯，加速产生了更多5G应用。可以预见，在不久的将来，5G将给更多行业带来颠覆性影响，创造更多的国民经济产值。

1 概述

为了更好地服务于各类用户，5G将业务场景划分成三种，分别为eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、URLLC（Ultra-reliable and Low Latency Communications，超高可靠超低时延通信）以及mMTC（massive Machine Type of Communication，海量机器类通信）。每种业务场景对带宽、时延、连接数的要求都不一样，因此对5G提出了按需扩容、分片承载新要求，网络切片的概念应运而生。

网络切片是一系列拥有特定配置的网络功能的集合，可以根据各场景对带宽、时延、丢包等性能的不同需求进行网络资源分配，为运营商在单一物理网络上提供多个端到端的虚拟网络。每个5G网络切片，由接入网、核心网以及承载网三个子网络切片组成。其中，承载网切片是5G网络切片的重要组成部分，需要在时延保证、路径选择以及带宽保证等方面进行严格区分和精细控制。

2 5G承载网络切片实现方法

5G承载网络切片实现方法主要有基于端口和基于隧道两种。

2.1 基于端口网络切片实现方法

基于端口网络切片实现方法通过物理端口、子端口或者FlexE（Flex Ethernet，灵活以太网）等端口技术实现网络切片，一个网络切片包含vNode（virtual node，虚拟节点）和它们之间的vLink（virtual link，虚拟链路）。在图1中，由四个运营商PE（Provider Edge，边缘路由器）节点和两个运营商P（Provider，骨干路由器）节点组成的物理承载网络被虚拟出两个不同的vNet（virtual network，虚拟网络），分别是vNet1和vNet2，实线端口和虚线端口分别代表不同的切片。从图1中可以看出，该方法可以使用，但是不同的切片之间只能通过物理端口进行隔离，需要多组物理端口，并且无法抽象物理网络，只能将原有物理网络的完整拓扑结构呈现给用户。

图1 基于端口网络切片示意图

2.2 基于隧道网络切片实现方法

基于隧道的网络切片实现方法可以避免以上问题，主要有以下三个步骤：首先创建若干个虚拟网元，其次通过隧道创建虚拟链路连接各个虚拟网元，最后将虚拟网元和虚拟链路组合成网络切片。

（1）创建网元切片

在单一网元即单一设备上创建网元切片，主要包括虚拟网元和虚拟端口，后者又可划分为虚拟用户侧端口和虚拟网络侧端口。如图2所示，物理节点Node1被划分成两个虚拟网元Vnod1和Vnod2，Vnod1具有虚拟用户侧端口VUNI1和虚拟网络侧端口VNNI1，Vnod2具有虚拟用户侧端口VUNI2和虚拟网络侧端口VNNI2。

图2 虚拟网元示意图

（2）创建虚拟链路

利用隧道创建上述虚拟网元之间的虚拟链路，虚拟网络侧端口是虚拟链路的端点，也是隧道的端点。根据网元支持承载技术的不同，隧道主要分有LSP（Label Switched Path，标签交换路径）隧道、SR（Segment Routing，分段路由）隧道、FlexE隧道、ODUk（Optical channel Data Unit，光通路数据单元）隧道等。

（3）创建网络切片

将上述步骤中形成的虚拟网元和虚拟链路组合成网络切片。利用隧道技术创建的虚拟链路抽象了实际的物理网络，屏蔽了中间节点。切片的用户只需知道所在切片的网络结构，无需感知实际的物理网络结构。

如图3所示，在由N1、N2、N3、N4、N5、N6六个节点组成的物理网络上，利用隧道技术虚拟出vNet1和vNet2两个切片网络。因为端到端的隧道技术屏蔽了中间节点，因此vNet1和vNet2的用户无需感知内部节点N2和N5的状态，只要直接在切片网络上创建业务即可。

图3 基于隧道网络切片示意图

综上所述，利用隧道技术实现网络切片，可以对实际的物理网络进行抽象，降低了对物理端口资源的隔离要求。

3 5G承载网络切片分层

3.1 传统承载网络分层架构

如图4所示，传统的承载网络从上到下分为用户层、服务层以及物理网络层。为了满足用户的需求，各类业务包括EPL（Ethernet Private Line，以太网私有专线）/EVPL（Ethernet Virtual Private Line，以太网虚拟专线业务）、EPLAN（Ethernet Private Local Area Network，以太网专用局域网）/EVPLAN（Ethernet Virtual Private Local Area Network，以太网虚拟专用局域网）、ETree（Ethernet Tree，以太网树型）等业务，直接部署在物理网络之上。在此架构之下，所有的业务共享一个物理网络，不能进行逻辑隔离，无法满足5G各类不同业务场景需求。因此，5G承载网需要将传统的承载网络分层架构改进为切片架构。

图4 传统承载网络分层架构

3.2 承载网络切片架构

如图5所示，与传统的承载网络架构相比，承载网络切片架构在物理层和服务层之间增加了虚拟网络层，单一的物理网络被划分成为n个虚拟网络：vNet1、vNet2、…、vNetn，这些虚拟网络特征与物理网络类似，能够独立创建业务，拥有逻辑独立的管理面、控制面和转发面，可满足不同类型业务场景的承载需求。当采用基于隧道的方法创建网络切片时，建立在虚拟网络上的业务感知不到实际物理网络结构，从而实现物理层的业务和物理层的资源的解耦。另外，通过递归切片网络的方法可以嵌套多层虚拟网络。

图5 承载网络切片架构

4 软件定义网络控制器

利用隧道技术实现网络切片可以由SDN（Software Defined Network，软件定义网络）控制器实现。它是一种开放的网络创新架构，将网络的控制平面和转发平面相分离，统一集中控制，灵活分配调度网络资源。如图6所示，主要由vNet管理系统、vNet控制器组成，其中vNet管理系统主要负责vNet与物理资源的映射、vNet用户的接入控制等，vNet控制器属于vNet用户，它只能看到分配给自己的vNet，负责vNet上的业务生命周期控制、在vNet上创建各种业务，因此无需感知物理网络层。

图6 vNet SDN控制器示意图

图7 5G承载网络切片应用示意图

5 5G承载网络切片应用

不同的业务对服务质量（譬如带宽、时延和连接数量等）有不同的需求，根据客户的不同需求，运营商可以使用上述切片实现方法灵活创建相应的虚拟5G承载网络。

如图7所示，一般的5G承载物理网络节点设备包括BBU（Base Band Unit，基带处理单元）、CU（Centralized Unit，集中单元）、DU（Distributed Unit，分布单元）、MEC（Mobile Edge Computing，边缘计算）、BSC（Base Station Controller，基站控制器）、RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）、Edge DC（Edge Data Center，边缘数据中心）、Core DC（Core Data Center，核心数据中心）等。根据在网络中所处位置的不同，可以分为前传、中传、回传和城域骨干、省干等几部分，这是一个单一的物理网络。

在我国，各大运营商的客户主要可分为三种：集团客户、无线客户以及家宽客户，不同的客户对应不同的业务，对带宽、时延和连接数量的需求都不同，因此运营商可以根据前文2.2小节所述的实现方法，通过合适的隧道技术创建相应的vNet。图7中有三个vNet，分别为：集客切片、无线切片和家宽切片。这些切片可以由相应的虚拟运营商进行独立管理和运维，并可以按照客户需要进行再次切片。如虚拟运营商A根据自身业务需求，可以将集客切片网络再次切片为银行业务子切片、政府业务子切片、企业业务子切片等。这些子切片可以动态创建、独立运维。在同一张物理网络上通过切片、子切片的方式可以实现承载网络的资源共享和切片的独立运维。

由于客户的需求是多变的，因此5G承载物理网络并不仅仅只有这几种类型的切片，也不仅仅只有这一种划分方式。切片类型和划分方式是灵活多变的，运营商可根据实际的应用场景创建相应的虚拟网络。